Investigadores del MIT han descubierto que ciertas bacterias oceánicas fotosintéticas deberían tener cuidado de virus con regalos: Estos virus cargan material genético tomado de las bacterias que los hospedaron previamente y con esto engañan nuevas bacterias para que utilicen su maquinaria para activar estos genes, ayudando a los virus a reproducirse, un proceso nunca antes documentado en la relación virus-bacteria.
Por Denise Brehm, Civil and Environmental Engineering. Original (en inglés)
El engaño ocurre cuando un virus inyecta su ADN en una bacteria viviendo en una región del océano sin mucho fósforo. Esta bacteria, bajo estrés por la falta de fósforo – que utiliza como nutriente – tiene su maquinaria para recolectar fósforo funcionando a toda marcha. El virus siente el estrés de la bacteria y le ofrece lo que parece ser una mano de ayuda: genes de bacteria idénticos a los de ella misma que le permitirían a la bacteria recolectar más fósforo. La bacteria usa esos genes – pero el fósforo adicional se gasta principalmente en soportar la replicación del ADN del virus.
Una vez que el proceso se ha completado, alrededor de 10 horas después de la infección, el virus explota la bacteria, liberando la progenie del virus de vuelta al océano donde pueden invadir otras bacterias y repetir el proceso. Los genes recolectores de fósforo adicionales provistos por el virus mantienen su ciclo reproductivo.
En esencia, el virus, o fago, está utilizando un componente muy sofisticado de la maquinaria reguladora de la bacteria para mejorar su propia reproducción – algo que nunca había sido documentado en una relación virus-bacteria.
“Esta es la primera demostración de un virus de cualquier tipo – aún esos bien estudiados en la investigación biomédica – explotando este tipo de maquinaria reguladora en una célula huésped, y ha evolucionado en respuesta a las presiones de selección extremas por la limitación de fósforo en muchas partes de los océanos globales”, dijo Sallie “Penny” W. Chisholm, una profesora de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE – Civil and Environmental Engineering) y biología del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto de Tecnología de Massachusetts), quien es la investigadora principal del estudio y co-autora de la revista académica publicada en la edición del 24 de enero de Current Biology (biología actual). “Los fagos han evolucionado la capacidad de sentir el grado de estrés de fósforo en las bacterias que están infectando y han capturado, durante un tiempo evolutivo, algunos componentes de la maquinaria de la bacteria para sobrepasar la limitación”.
Chisholm y el co-autor Qinglu Zeng, un graduado de CEE, realizaron esta investigación usando la bacteria Prochlorococcus y su pariente cercano, Synechococcus, quienes juntos producen alrededor de un sexto del oxígeno en la atmósfera de la tierra. El Prochlorococcus mide alrededor de un micrón (también llamado micrómetro) de diámetro y puede alcanzar densidades de hasta 100 millones por litro de agua de mar; el Synechococcus solo es ligeramente más grande y un poco menos abundante. Los virus que atacan a ambas bacterias, llamados cianófagos, son aún más abundantes.
El mecanismo bacterial en juego es llamado un sistema regulador de dos componentes, que se refiere a la habilidad del microbio de sentir y responder a condiciones ambientales externas. Este sistema lleva a la bacteria a producir proteínas extras que se pegan al fósforo y lo traen a la célula. El gen cargado por el virus lleva el código de la misma proteína.
“Ambos el fago y la bacteria tienen los genes que producen proteínas que se pegan al fósforo, y encontramos que ambos pueden ser regulados por el sistema regulador de dos componentes de la bacteria,” dijo Zeng. “El lado positivo de la infección para la bacteria es que obtendrán más atrapa fósforo del fago y quizá más fósforo, aunque la bacteria está muriendo y el fago está utilizando el fósforo para sus propios propósitos”.
En el 2012, Chisholm y Maureen Coleman, ahora profesor asistente en la Universidad de Chicago, demostraron que las poblaciones de Prochlorococcus viviendo en el Océano Atlántico se han adaptado a las limitaciones del fósforo de ese entorno desarrollando más genes específicamente relacionados a la búsqueda de fósforo. Esto probó ser la diferencia entre estas poblaciones y sus contrapartes viviendo en el Océano Pacífico, el cual es más rico en fósforo, indicando que la variación es el resultado de una adaptación evolutiva al entorno.
La nueva investigación indica que el fago que infecta estas bacterias evolucionó junto con las bacterias.
“Estos virus … han adquirido genes para un camino metabólico de la células anfitrión,” dijo David Shub, un profesor de ciencias biológicas en la Universidad Estatal de Nueva York en Albany quien no estuvo involucrado en esta investigación. “Ahora Zeng y Chisholm han mostrado que estos genes virales particulares están regulados por la cantidad de fosfato en su entorno, y que también ellos utilizan las proteínas reguladoras ya presentes en las células que los hospedan al momento de la infección. Lo significativo de esta revista académica es la revelación de una interrelación evolucionaria muy cercana entre esta bacteria particular y los virus que buscan destruirla”.
“Hemos llegado a pensar que este sistema entero es otra pieza de evidencia para la increíble intimidad de la relación de fago y anfitrión”, dijo Chisholm, cuyos próximos pasos son explorar las funciones de todos los genes que estos fagos marinos han adquirido de sus células anfitrión para aprender más sobre las presiones selectivas afectando las interacciones fago-anfitrión en los océanos abiertos. “La mayoría de lo que hemos entendido sobre fagos y bacterias ha sido del modelo de microorganismo usado en investigación biomédica. El entorno de un cuerpo humano es dramáticamente diferente del de los océanos abiertos, y estos fagos oceánicos tienen mucho que enseñarnos sobre procesos biológicos fundamentales”.
Esta investigación fue patrocinada en parte por la Fundación Gordon y Betty Moore, el programa CMORE y el programa Oceanografía Biológica de la Fundación de Ciencia Nacional, y el Departamento de Energía de Estados Unidos.
Reimpreso con permiso de MIT News.
Imagen
Una micrografía electrónica de transmisión de un virus prochlorococcus. Imagen: Simon Labrie and Qinglu Zeng
Más información
http://web.mit.edu/ (en inglés)